项目一 通信系统概论分解

1、通信原理,授课人：曾苑 机电与信息工程学院,目录,第一章 通信系统概论 第二章 模拟信号数字化与信源编码 第三章 数字信号的基带传输 第四章 数字信号的频带传输 第五章 信道编码技术 第六章 信道复用与多址技术 第七章 同步原理 第八章 数字信号的最佳接收,课程介绍,明确：,为什么要学？ 学什么？ 如何学？ 哪里可学？,课程介绍,通信原理是通信工程专业一门重要的 专业基础理论课程。本课程系统深入地阐述现代通信系统的基本原理，其中包括模拟通信和数字通信，并以 数字通信为主。,一、课程性质,本课程通过课堂教学、习题练习、实验等教学环节，旨在使学生系统地掌握 通信系统的基本原理 及其 性能的基本分析

2、方法，了解现代通信技术与理论的发展状况。,课程介绍,课程定位,通信类专业 的一门重要专业基础课程 是 必修课、核心主干课 是 一门 专业的标志性课程 是 “信息与通信工程” 学科 研究生入学考试课程 起着 承前启后的作用 占有 重要的教学地位,二、与其它课程的关系,课程介绍,先修课程： 后续课程： 信号与线性系统 移动通信系统 概率论与随机过程 光纤通信系统 信息论基础 SDH技术 模拟电子技术 卫星通信系统 数字电子技术 现代通信网 高频电子线路 接入网技术,课程介绍,课程特点,具有 理论性强、知识综合、难度大等特点； 是一门理论性和实践性都很强的专业基础课 学习时要注意数学分析方法，更要注

3、意数学 分析所得结论的物理意义、物理概念； 学习时要注意用系统的观点、模型的观点、 工程的观点、辩证的观点，思考问题、分析 问题、解决问题。,课程介绍,课程目标,使学生 掌握 通信系统的基本概念、基本理 论、基本技术和 系统性能分析方法； 掌握 基本的 系统设计思想和方法； 熟悉 仿真工具 的应用； 了解现代通信技术的发展状况； 使学生 具备 动手实践 的能力； 为本领域的进一步学习和研究奠定坚实基础,课程介绍,课程学习,理论教学： 48 学时 实验教学： 16 学时 总课学时： 64 学时,注意：充分利用 课程网站、图书馆、数字图书 馆资源 ， 做好预习、复习； 认真做作业、认真做实验。 既

4、要打好基础，又要提高能力。,课程介绍,课程考核方式,最终总成绩包括： 平时成绩： 20% 实验成绩： 15% 作业成绩： 15% 考试成绩： 50%,第一章 通信系统概论,1.1 通信的基本概念与通信系统 1.2 通信系统的主要性能指标 1.3 信道容量与香农公式,第1章 绪论,实现通信的方式和手段：,非电的： 烽火台 文字 消息树 旌旗 ,我国古代最早 的通信方式是 烽火狼烟。,文字发明后， 利用驿站传递 文书。,第1章 绪论,电的：如电报、电话、广播、电视、遥控、遥测、 因特网和计算机通信等。,移动通信,基站,基站,基站,第1章 绪论,电通信发展史,1837年：莫尔斯发明有线电报,消息“点

5、、划、空格”,金属线,发报,收报,第1章 绪论,1876年：贝尔发明有线电话,1876年贝尔电话,话筒,耳机,第1章 绪论,无线通信：,电磁场力学的理论。 电磁波的传播速度等于光速（3.0108米/秒）。,1864年麦克斯韦从理论 上预言了电磁波的存在,1887 年 赫 兹 用 实 验 证 实了电磁波的存在,第1章 绪论,1906年德弗雷斯特发明了电子管,晶体管,集成电路,大规模可编程器件,第1章 绪论,1918年：调幅无线电广播、超外差接收机问世 1936年：商业电视广播开播,收音机,卫星通信,卫星地面站,电视,长途电话,20世纪60年代以后通信技术的发展呈爆炸之态势。 卫星通信、光纤通信、

6、通信网（ISD）,第1章 绪论,后面讲述中，“通信”这一术语是指“电通信”包括光通信，因为光也是一种电磁波。在电通信系统中，消息的传递是通过电信号来实现的。,1.1.2通信技术的发展与展望,电缆通信:电话、传真、电报等各用户终端与交换机的连接全靠市话电缆。,1.1.2通信技术的发展与展望,微波中继通信:主要用于传输长途电话和电视节目。,1.1.2通信技术的发展与展望,光纤通信:光纤通信是以光导纤维(简称光纤)为传输媒质、以光波为载波的通信方式。,1.1.2通信技术的发展与展望,卫星通信:卫星通信的特点是通信距离远,覆盖面积大,不受地形条件限制,传输容量大,建设周期短,可靠性高。,1.1.2通信

7、技术的发展与展望,移动通信：2G、3G、4G 中国移动：GSM（2G）、TD-SCDMA（3G） 中国联通：GSM（2G）、WCDMA（3G） 中国电信：CDMA1X（2G）、CDMA2000（3G） 中国移动4G:TD-LTE,通信：人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递。,2 通信的分类 常用的通信分类方法有以下几种。 1.按传输媒质分 按消息由一地向另一地传递时传输媒质的不同，通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信。所谓有线通信，是指传输媒质为导线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。导线可以是架空明线、电缆、光缆及波导等。所谓

8、无线通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质(如电磁波)的一种通信形式。 通常，有线通信亦可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信等。,2.按信道中所传信号的不同分 信道是传输信号的通路。通常信道中传送的信号可分为数字信号和模拟信号，由此，通信亦可分为数字通信和模拟通信。 凡信号的某一参量(如连续波的振幅、频率、相位，脉冲波的振幅、宽度、位置等)可以取无限多个数值，且直接与消息相对应的，称为模拟信号。模拟信号有时也称连续信号，这个连续是指信号的某一参量可以连续变化(即可以取无限多个值)，例如强弱连续变化的语音信

9、号，亮度连续变化的电视图像信号等都是模拟信号。 凡信号的某一参量只能取有限个数值，并且常常不直接与消息相对应的，称为数字信号。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某参量是离散(不连续)变化的，而不一定在时间上也离散。,3.按工作频段分 根据通信设备的工作频率不同，通信通常可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。为了比较全面地对通信中所使用的频段有所了解，下面把通信使用的频段及说明列入表12中。,通信中工作频率和工作波长可互换，公式为 式中，为工作波长；f 为工作频率；C 为电波在自由空间中的传播速度，通常认为C=3108 m/s。,(1-1),4. 按调制方式分 根据消息在送到

10、信道之前是否采用调制， 通信可分为基带传输和频带传输。所谓基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式，而频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输，收端有相应解调措施的通信系统。,表 1-3 常用的调制方式,3 通信的方式 1.按消息传送的方向与时间分 通常，如果通信仅在点对点之间进行，或一点对多点之间进行，那么，按消息传送的方向与时间不同，通信的工作方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。,所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，如图11(a)所示。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等，这里，信号(消息)只从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分

11、别传到收音机、遥控对象和BP机上。 所谓半双工通信方式，是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的形式，如图11(b)所示。例如对讲机、收发报机等都是这种通信方式。 所谓全双工通信方式，是指通信双方可同时进行收发信息的工作方式。如图1-1（c）所示。例如普通电话、手机都是这种通信方式。,图 1-1 按消息传送的方向和时间划分的通信方式 (a) 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式,2.按数字信号排序分 在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同，可将通信方式分为串行传输和并行传输。,所谓串行传输，即是将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的方式，如图12

12、(a)所示； 优点：只需一条通信信道，节省线路铺设费用 缺点：速度慢，需要外加码组或字符同步措施,如果将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时并行在信道上传输，则称为并行传输通信方式 优点：节省传输时间，速度快：不需要字符同步措施 缺点：需要 n 条通信线路，成本高,3.按通信网络形式分 通信的网络形式通常可分为三种：点到点通信方式、点到多点通信(分支)方式和多点到多点通信(交换)方式，它们的示意图如图13所示。,点到点通信方式是通信网络中最为简单的一种形式，终端A与终端B之间的线路是专用的； 在点到多点通信(分支)方式中，它的每一个终端(A,B,C,N)经过同一信道与转

13、接站相互连接，此时，终端之间不能直通信息，而必须经过转接站转接，此种方式只在数字通信中出现； 多点到多点通信(交换)方式是终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换的一种方式，即把要求通信的两终端之间的线路接通(自动接通)，或者通过程序控制实现消息交换，即通过交换设备先把发方来的消息存储起来，然后再转发至收方，这种消息转发可以是实时的，也可是延时的。,图 1-3 按网络形式划分的通信方式 (a) 两点间直通方式； (b) 分支方式； (c) 交换方式,按信号的复用方式分类：常用的信号复用方式有三种，即频分复用、时分复用和码分复用。,图1-1 通信系统的一种简化模型,1.1.3 通信系统,1.2.2

14、 通信系统模型,把各种可能的消息转换成原始电信号。,对原始电信号进行变换，使其适合在信道中传输。,信号传输的通道，有无线和有线两种方式。,与发送设备作用相反，从接收信号中恢复出相应的原始电信号。,将恢复的原始电信号转换成相应的消息。,包括信道中的噪声和分散在通信系统其他各处的噪声。,基于点到点之间的通信,模型中各部分功能如下： (1) 信源 信源是指发出信息的信息源，或简单地说是信息的发出者。信息源(简称信源)的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源，信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号，是指没有经过调制的原始信号，其特点是频率较低。基带信号可分为数字基带信号

15、和模拟基带信号。 (2) 变换器 变换器的功能是把信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。,(3) 信道 信道是信号传输的通路,是信号传输媒介的总称。信道中自然会叠加上噪声。 (4)反变换器 在接收端，接收设备的功能正好相反于发送设备，它将从收到的信号中恢复出相应的原始信号。 (5)信宿 受信者(也称信宿或收终端)是将复原的原始信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。 (6)噪声源 噪声源是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其他各处噪声的集合。图中这种表示并非指通信中一定要有一个噪声源，而是为了在分析和讨论问题时便于理解而人为设置的。,根据信号物理参量基本特征的不同

16、，信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号。,1.模拟通信系统 我们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成(通常也称为模型)可由一般通信系统模型略加改变而成，如图15所示。 图15模拟通信系统模型,对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号(发端信息源完成)和把电信号恢复成最初的连续消息(收端受信者完成)。 由信源输出的电信号(基带信号)具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其频带适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成； 在接收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。

17、经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是具有较高频率成分。,图1-6语声模拟通信系统示意图,2.数字通信系统 与模拟通信相对应，信源所发出的信息经变换和处理后，送往信道上传输的是数字信号的通信系统称为数字通信系统。语声信号的数字通信系统构成如下图1-7所示。 图1-7语声数字通信系统示意图,图1-8 数字通信系统模型,信源编码的作用： 1. 将模拟电信号转化为数字电信号，即模数转换（A/D转换）。 2. 尽量降低数字信号的传输数码率，即数据压缩编码技术，信源编码技术很大程度上是围绕压缩编码技术来展开的，以提高通信系统的性能。 信源解码

18、的作用： 是信源编码的逆过程，将接收端收到的数字信号还原为原来的模拟信号，即数模转换（D/A转换）。,信道编码的作用： 信道环境很复杂，经过信源编码后的数字信号在信道传输过程中会受到各种各样的噪声干扰，难免会发生差错，为提高通信系统的抗干扰能力，尽可能地对传输过程中产生的差错进行控制，实现可靠通信，我们就采用了差错控制编码，也称为信道编码。 信道解码的作用： 信道解码是信道编码的逆过程，功能是将传输过程中增加的差错控制编码恢复成原来的信号。,1.1.4 数字通信的主要优缺点,1. 数字通信的主要优点 (1)抗干扰能力强 在数字通信中，由于数字信号的幅度值为有限个数的离散值(通常取两个幅值)，在

19、传输过程中受到噪声干扰虽然也要叠加噪声，但当信噪比还没有恶化到一定程度时，即在适当的距离，采用再生的方法即可消除噪声干扰，将信号再生成原发送的信号，如图1.9(b)所示。,图1.9 两类通信方式抗干扰性能比较,（2）便于加密处理，且保密性强 信息传输的安全性和保密性越来越受到重视，数字通信的加密处理比模拟通信更容易实现。以语声数字通信为例，经过数字变换后的信号就可以用简单的数字逻辑运算进行加密处理，如图1.10所示。,图1.10 数字通信加密方法示意,（3）差错可控 数字信号通过差错控制编码，可采用纠错和检错技术，可提高通信的可靠性。 （4）易于集成化，从而使通信设备微型化 由于数字通信系统中

20、大部分电路都是由数字电路来实现的，微电子技术的发展可使数字通信便于用大规模和超大规模集成电路来实现。 （5）易于与各种数字终端接口,2.数字通信的缺点 (1)数字信号比模拟信号占的频带宽，频带利用率不高。数字通信中，数字信号占用的频带宽，以电话为例，一路数字电话一般要占据约2060kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4 kHz带宽。如果系统传输带宽一定的话， 模拟电话的频带利用率要高出数字电话的515倍。 (2) 系统设备比较复杂，同步要求较高。数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求收端和发端保持严格同步。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。,1.2 数字通信系统的主要性能指标,

21、如何评价一个通信系统的性能优劣是选择和使用一个通信系统所面临的首要问题。因此，必须找出能够反映通信系统性能的技术指标，然而，研究通信系统的性能指标是一个非常复杂的问题，它包含有多方面的指标，如有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性和维护的便利性等，这些指标从不同的角度对通信系统的优劣做出评价。但是通信的基本任务是快速、准确地传递信息，所以通信系统的诸多性能指标中起决定作用的主要是有效性和可靠性。,1） 有效性和可靠性,有效性即信息传递的速度，是指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题。即在给定的信道内，单位时间内传输的信息量的多少。通常总是希

22、望在单位时间里传输更多的信息。 可靠性即信息传输的准确性，是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”问题。 显然，有效性和可靠性是两个互相矛盾的指标，提高有效性往往就意味着降低可靠性，反之，提高可靠性必然会降低有效性。工程实际中经常采用在保证一定的可靠性指标的情况下，尽可能地提高信息传输速率；或者在维持一定的有效性的条件下，尽量提高信息传输的质量。,2）模拟通信系统的性能评价,模拟通信系统中有效性：用有效传输频带来度量。即用传输频带宽度来衡量。 如模拟通信的多路频分复用传输，当每一路的有效带宽一定时，信道带宽越宽，可以容纳的路数就越多，也就意味着系统的有效性越好。当然模拟通信系统的有效带宽与

23、系统采用的调制方式有关，如调频方式就要比调幅方式占用更大的带宽。不同调制方法得到的有效带宽不一样，系统的有效性也不同。,可靠性：可用接收端最终输出信噪比来度量。 模拟通信系统的可靠性指标是用接收端输出信噪比评价的。信噪比是信号的平均功率S和噪声的平均功率N的比值。信噪比越大，说明噪声对信号的影响越小，通信的质量就越好，即系统的可靠性越高。输出信噪比不仅仅与信道内的信号功率和噪声功率有关，还与信号的调制方式有很大关系。如调频系统的信噪比就比调幅系统的要高。,3）数字通信系统的性能评价,1有效性-传输速率 通常，评价数字通信系统有效性的指标是传输速率。传输速率又分为码元传输速率和信息传输速率。 （

24、1）码元传输速率RB 码元传输速率RB又称为码元速率，简称传码率。是指系统在单位时间内传输的码元数目，单位为波特（Baud），常用符号“B”表示。例如系统1秒钟传输3600个码元，则称码元速率为3600波特（B）。,例如：二进制调频波，一个1或0符号的持续时间为,，则码元速率为多少？,解：码元速率为,Baud,（2）信息传输速率Rb 信息传输速率Rb又称为信息速率，简称传信率。是指系统在单位时间内传输的平均信息量或比特数。单位是bit/s或bps。 码元速率和信息速率都属于数字通信系统的有效性指标，两者之间既有联系，也有区别。它们之间的关系如下： （bit/s） （1-6） 或 （B） （1-

25、7） 式中，N代表码元的进制数。从表达式中可以看出，当N等于2时， Rb = RB 。,对于二进制数字信号：N = 2，码元速率和信息速率在数量上相等。对于多进制，例如在八进制（N = 8）中，若码元速率为1200 B，则信息速率为多少？,例：设一数字传输系统传送二进制码元的速率为1200Baud，试求该系统的信息速率；若该系统改为传送十六进制信号码元，码元速率为2400Baud，则这时的系统信息速率为多少？,解,比特/秒,比特/秒,练习 ：已知二进制数字信号的传输速率为2400b/s，试问变换成四进制数字信号时的传输速率为多少Baud。,解：,Baud/s,2可靠性-差错率 衡量数字通信系统

26、可靠性的指标是差错控制率，常用误码率和误信率表示。是指通信终端接收到的数字信号发生错误的概率。 （1）误码率Pe 误码率Pe又称为码元差错率，是指接收端错误接收的码元数与所接收的总码元数的比值，即码元在通信系统中被传错的概率。 （1-10） （2）误信率Pb 误信率又称为比特差错率，是指接收端的错误接收的比特数与所接收的总比特数的比值。 （1-11）,显然，误码率和误信率越低，数字通信系统的可靠性就越高，质量越好，在二进制系统中Pe = Pb。 例1：某系统经长期测定，它的误码率Pe=10（-5），系统码元速率为1200B，问平均在多长时间内可能收到360个误码元。 例2：已知某4进制数字传输

27、系统的传信率为2400bit/s，接收端在半个小时内共收到216个错误码元，试计算该系统的误码率Pe。,3. 系统频带利用率 在比较不同数字通信系统的有效性时，某些情况下单纯看信息传输速率是不够的，两个信息传输速率相同的系统所占用的信道频带宽度可能不同，这时，所占频带窄的系统传输信息的能力更强。所以系统频带利用率是全面评价数字通信系统有效性的指标。 = （B/Hz） (1-8) 对于采用二进制传输时的系统频带利用率可以表示为： = （bps/Hz） (1-9),一、信息及其度量,信息：消息中所包含的有效的内容。 信息量：消息出现概率的函数。消息出现的概率越小，所包含的信息量越大。,一个符号或事

28、件，以概率P出现，则这个符号携带的信息量为：,信息量的单位与对数的底有关。底为2，单位为比特（bit)，底为e，单位为奈特(nit)，底为10，单位为哈特(hart)。,例1：已知二进制离散信源（0，1），每一符号波形等概发送，求传送二进制波形符号的信息量。,解：由于每一波形出现的概率为P=1/2，故其信息量为：,比特（bit）,例2：已知四进制离散信源（0，1，2，3），独立等概发送，求传送每一波形的信息量。,解：由于每一波形出现的概率为P=1/4，故其信息量为：,比特（bit）,例3：已知二进制离散信源（0，1），若“0”出现概率为1/3，求出“1”符号携带的信息量。,解：由于“1”符号出

29、现的概率为P=2/3，故其信息量为：,比特（bit）,比特（bit）,平均信息量：是指信源中每个符号所含信息量的统计平均值。,定义：统计独立的M个符号的离散信息源的平均信息量为：,比特/符号,H 也称为信源熵。,例3 中求信息的平均信息量为：,比特/符号,解：A 出现 6 次 ；B 出现 3 次 ；C 出现 2 次 ; D 出现 2 次 ；共 13 个 符号 。故 该消息 的 信息量 及 熵 分别为,平均信息量 为,一离散信源由 A ，B ，C ，D 四个符号组成，它们出现的概率分别为 1/2，1/4，1/8，1/8 ，且每符号的出现都是独立的。试求消息AAAAABBACCDDB的信息量及熵,

30、1.3 信道容量与香农公式,单位时间内信道上所能传输的最大信息量称为信道容量。它可用信道的最大信息传输速率来表示。 以无限小的差错率和无限大的速率传输信息是人们对通信系统的理想要求。可是信道传输信号的功率和信道的带宽均是有限的，信号在信道中传输要受到干扰的影响，在实际的工程应用中往往采用折衷方案，即在满足可靠性的前提下尽可能地提高信息速率。那么，在怎样的情况下，信道可以不失真地将信息以尽量高的速率传输呢？香农定理为我们解决了这个问题。,香农定理的内容是，若信息源发出的信息速率小于或等于信道容量，则信息可以在信道中无失真地传输；反之，则无法正确传输信息。 对于给定的有扰信道，香农公式给出了信道容量、信道带宽和高斯白噪声干扰信号（或信道输出信噪比）之间的关系： (bit/s) （1-5） 式中，C为信道容量（单位bit/s），B为信道带宽（Hz），S为信号功率（W）， n0为输入端加性高斯白噪声的单边功率谱密度（W/Hz），N=n0B为噪声功率（W）。,根据香农公式，我们可以得出以下结论： （1）当信道的带宽B和信噪比S/N一定时，信道的极限传输